Dipolos de media longitud onda
Las antenas dipolo son bien despreciadas por muchos radioaficionados y amadas por otros tantos, sin embargo, según lo que yo creo vale la pena estudiar en profundidad este tipo de antenas para entender realmente su comportamiento desde el punto de vista eléctrico con el fin de que algun dia mientras estamos a punto de dormirnos nos llegue el EUREKA!!!!!!! y se nos ocurra alguna idea genial.
En general y a diferencia de lo que muchos piensan, un dipolo completamente idealizado, es decir, en el vacío, donde el diámetro de los alambres es completamente despreciable respecto del largo y sin pérdidas la impedancia real de un dipolo es de 73 + j42.5 sorpresa, contiene parte reactiva. Ahora la probabilidad de que instalemos un dipolo en estas circunstancias realmente lo veo un poco difícil. ya hace muchos años un conjunto de radioaficionados modeló y generalizó el comportamiento de la impedancia de una antena dipolo en función de la separación de éste respecto del suelo, obteniendo resultados completamente reproducibles. estos están publicados en los compendios de antena y en el handbook radio ya hace varias décadas
La figura anterior, muestra el módulo de la impedancia en ohms en función de la altura respecto del suelo usando un dipolo horizontal. si bien hasta ahora no hemos visto nada del dipolo como antena, estos estudios varían en función de muchos otros parámetros como tipo de suelo o si el dipolo no está horizontal o en v invertida. Todas estas incertidumbres en general son experimentadas mediante prueba y error ya que las herramientas matemáticas necesarias para modelar el fenómeno son bien complejas por tratarse de circuitos de parámetros distribuidos. Por el momento vamos a decir que un circuito electrónico de parámetros distribuidos es un circuito donde los componentes electrónicos son comparables con la longitud de onda que los atraviesa. o dicho de otra forma, para que un circuito se pueda considerar de parámetros concentrados el tamaño de los componentes electrónicos no debe ser mayor a un 3% - 5% de la longitud de onda que circula por estos.
También, este conjunto de mentes brillantes y otros que los siguieron, usaron herramientas computacionales para modelar los patrones de radiación del dipolo de media onda en función de la altura de este sobre el suelo. los resultados de este modelamiento fueron publicados en 1998 en el handbook de ARRL
Ya en este punto podemos ver que para obtener determinado diagrama de radiación, deberemos comprometer o por lo menos poner atención con la impedancia de la antena para que los resultados sean los esperados.
Ahora, cambiando el enfoque del estudio ¿que pasaria si movemos el punto de alimentación de la antena hacia alguno de los extremos de manera incremental y medimos la impedancia de la antena? bueno con ayuda de EZNEC simulamos 20 posibles posiciones entre el centro y un extremo de la antena, es decir cada 2.5% del largo total de la antena. obteniéndose los siguientes resultados.
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De los datos obtenidos, podemos ver que el módulo de la impedancia se incrementa de manera muy rápida a medida que nos alejamos del centro de la antena, este fenómeno puede que sea beneficioso para nosotros en algunos casos ya que por ejemplo, podríamos buscar el punto donde la impedancia de la antena es 4 veces mayor a la característica y usar un adaptador de impedancias 4:1 Pero ¿qué es lo que se logra con esto?
El primer paso para averiguarlo fue calcular un dipolo de 3,62 Mhz a 10 metros de altura sobre el suelo (0.125 longitudes de onda) usando un cable tipo 14awg. para este caso, cada rama del dipolo tiene un largo aproximado de 19,89 Metros y su respuesta en frecuencia quedó determinada por su gráfica de ROE
Luego, al correr el punto de alimentación a un 17% de uno de los extremos, (donde es el punto más similar a una impedancia de 200 Ohm) y asumiendo un transformador de impedancias de 4:1 la gráfica de ROE fue la siguiente:
De la gráfica podemos interpretar que para el punto de operación, la adaptación de impedancias es mejor en este caso, sin embargo, el punto de operación se corrió 30 Khz hacia una frecuencia más alta, esto quiere decir, que para la frecuencia de operación inicial,necesitaríamos una antena más larga al usar este tipo de alimentación, sin embargo, al ampliar la respuesta en frecuencia de la antena a otras bandas de aficionados, veremos que ahora la antena puede operar también de manera satisfactoria en la parte alta de la banda de 40 Metros y 10 Metros.
Haciendo algunos cambios menores como calcular la antena para la parte baja de la banda de 80 Metros y no para la parte central, digamos a 3,57 Mhz, nos encontraremos con la sorpresa de que ahora la antena sirve para trabajar en la banda de 80, 40, con sintonizador tambien se podria usar en la banda de 15 y un poco menos de la mitad de la banda de 10 Metros.
Este principio fue el que dió origen a las llamadas antenas OCFD (out of center feed dipole) dipolos alimentados fuera del centro, los que tienen un comportamiento mucho más eficiente que las antenas G5RB para las bandas de interés. en otro capítulo les mostrare el paso a paso de mi propio OCFD desarrollado en base a la información disponible en internet e innumerables horas de simulación en EZNEC para personalizarlo según mis requerimientos.
Ahora, nuevamente volvamos al dipolo de media onda de alimentación central. si revisamos la gráfica del ROE para esta antena de ejemplo, notaremos que solo 120 Khz de la banda tienen un ROE inferior a 1: 2.0 existen muchos casos donde requerimos que la antena tenga una adaptación de impedancias menos susceptible al cambio de frecuencia.
Existen variadas técnicas para incrementarlo pero mi preferida debido a que tiene menos pérdidas que insertar componentes electrónicos de alto voltaje es contravenir las simplificaciones de los modelos físicos (bueno ahora que hay modelos computacionales que hacen los cálculos) e ir determinando los cambios necesarios. Cuando me refiero a contravenir las simplificaciones de los modelos físicos, me refiero por ejemplo al enunciado de que el grosor de los conductores de un dipolo es despreciable en comparación con el largo de estos.
Usando esta idea, calcularemos la respuesta en frecuencia del dipolo inicial pero suponiendo que el ancho del conductor es mucho más grueso, digamos unos 12 Centímetros. Si analizamos los resultados de la simulación. vemos que el punto de mejor adaptación de impedancia ahora se encuentra en 3,49 Mz lo que significa que para usar la antena en el centro de la banda ahora se requiere un conductor más corto. Realizando los cálculos para que resuene en el centro de la banda la respuesta en frecuencia es la siguiente:
Magia!!!!! ahora la antena tiene una respuesta mucho menos aguda que el dipolo inicial, dando servicio en toda la banda de 80M con un ROE inferior a 1: 2.0 Además, tenemos otra regalía ahora el largo requerido en cada rama es de 19,21 Metros en vez de los 19,89 metros, lo que representa un acortamiento de alrededor de un 3,5%
Ahora, desde el punto de vista práctico, es muy difícil encontrar un conductor de 12 Centímetros de diámetro y más aún, imposible de manejar por lo que nos aprovecharemos de los parámetros concentrados y distribuidos, simulando un conductor así de grueso, usando simplemente 4 conductores delgados. Este tipo de antenas son llamadas Cage dipoles o dipolos de jaula, En internet podrán encontrar un sin número de diseños de este tipo de antenas.
En mi caso me queda por probar que los separadores usados para los cables que forman la jaula, sean conductores y no aislantes, esta idea surge de las simulaciones realizadas con planos de tierra para antenas verticales y la mejora en la distribución de las corrientes al interconectar los radiales no solo en el centro sino a la mitad y en el extremo formando círculos concéntricos. entonces usando este mismo principio creo que al poner los espaciadores conductores digamos cada 1/16 de longitud de onda aseguramos que se mantenga el confinamiento y por ende el efecto de un conductor grueso.
Bueno creo que eso es todo por ahora, iré agregando otras cosas de este tipo de antena considerada básica pero que a mi me ha dado muchos beneficios en el ámbito de lo profesional como en el hobby.
